自動控制原理及pid調(diào)整(1介紹)

1、自動控制原理,低成本。,提高勞動生產(chǎn)率，,提高產(chǎn)品質(zhì)量，,改善勞動條件，,節(jié)約能源，,開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng),控制量,輸入量,輸出量,(a) 開環(huán)控制系統(tǒng),控制量,輸入量,輸出量,(b) 閉環(huán)控制系統(tǒng),開環(huán)控制系統(tǒng),特點：,缺點：, 最簡單的控制方式, 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)容易、成本低、不存在穩(wěn)定性問題, 信號傳遞沒有形成閉合回路, 輸出量不能對控制量產(chǎn)生 影響。, 控制精度不高, 系統(tǒng)抗干擾能力差, 對元器件的要求 比較高,閉環(huán)控制系統(tǒng), 反饋控制系統(tǒng),l反饋通路,負(fù)反饋與正反饋,控制系統(tǒng)一般采用負(fù)反饋,l信號傳遞形成一個閉合回路,輸入量與反饋量之差稱為偏差信號,自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)：,

2、設(shè)定值 x,擾動 f,被控變量 y,反饋量 z,自動控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),偏差 e,控制變量 u,1、控制系統(tǒng)的一些常用術(shù)語,被控對象,控制變量,是指被控制的裝置或者設(shè)備。,施加給被控對象的信號，使受控對象按照一定的規(guī)律運行，一般用符號u 表示。,被控變量,控制系統(tǒng)的輸出，即被控的物理量，一般用符號y 表示。,偏差信號,擾動信號,系統(tǒng)的設(shè)定值與反饋信號之差稱為偏差，用符號e 表示。,使對象輸出偏離設(shè)定值的輸入信號。一般用符號f 表示。,設(shè)定值（給定值）,希望系統(tǒng)輸出達(dá)到的數(shù)值，一般用符號x 表示。,2、控制系統(tǒng)的組成,定值元件,控制器,執(zhí)行元件,用來產(chǎn)生設(shè)定值或參考輸入。,或稱調(diào)節(jié)器。通過一定的

3、控制規(guī)律給出控制量，送到執(zhí)行元件。,完成功率轉(zhuǎn)換或信號轉(zhuǎn)換，常稱為執(zhí)行機構(gòu)或者執(zhí)行器。,測量、變送元件,又稱傳感器，用于檢測被控對象的輸出量，并變換成標(biāo)準(zhǔn)信號送到控制器。,比較元件,用以產(chǎn)生偏差信號,2、控制系統(tǒng)的組成,3、 對自動控制系統(tǒng)的基本要求,穩(wěn)定性、精確性和快速性,穩(wěn)定性,控制系統(tǒng)設(shè)計的首要條件 系統(tǒng)自身的屬性 有界輸入，有界輸出,精確性,反映系統(tǒng)的被控變量偏離設(shè)定值的程度。,快速性,控制系統(tǒng)受到外界的作用后，從一個平衡狀態(tài)達(dá)到另一個平衡狀態(tài)的時間 。,4、 自動控制系統(tǒng)的分類,1、開環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)控制系統(tǒng),2、定值控制系統(tǒng)、隨動控制系統(tǒng)和程序控制,根據(jù)給定信號形式的不同分類。,定

4、值控制系統(tǒng)：,系統(tǒng)的參考輸入為恒定值或者波動范圍很小，要求系統(tǒng)的輸出量也保持恒定。,隨動控制系統(tǒng)（伺服控制系統(tǒng)）：,參考輸入值不斷變化，變化規(guī)律未知?？刂颇康氖鞘沟孟到y(tǒng)的輸出量能夠準(zhǔn)確地跟蹤輸入值的變化。,程序控制系統(tǒng)：,設(shè)定值變化，是時間的已知函數(shù)，即按照事先規(guī)定的時間程序或規(guī)律變化。,5、單輸入單輸出系統(tǒng)與多輸入多輸出系統(tǒng),從輸入與輸出信號的數(shù)量分類。,單輸入單輸出系統(tǒng)（SISO）,多輸入多輸出系統(tǒng)（MIMO）,集中參數(shù)系統(tǒng)與分布參數(shù)系統(tǒng),u,y,(a) SISO系統(tǒng),(b) MIMO系統(tǒng),確定性系統(tǒng)與隨機控制系統(tǒng)等,究竟使用哪種典型信號分析系統(tǒng)？,取決于系統(tǒng)在正常工作時最常見的輸入信號形

5、式,若輸入是突然的脈動 脈沖信號 若輸入是突變的躍變 階躍信號 若輸入隨時間逐漸變化 斜坡信號 若輸入是周期信號 正弦信號 , 過渡過程的性能指標(biāo),直接評價控制系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線,（a）隨動系統(tǒng),圖3-2 單位階躍響應(yīng)曲線,（b）定值系統(tǒng),以階躍響應(yīng)曲線形式表示的質(zhì)量指標(biāo),(1) 峰值時間tp,階躍響應(yīng)曲線達(dá)到第一峰值所需要的時間。,tp,tp愈小，表明控制系統(tǒng)反應(yīng)愈靈敏。,(2) 最大偏差A(yù)和超調(diào)量,最大偏差A(yù): 被控輸出第一個波的峰值與給定值的差，如圖中的A。,超調(diào)量,y()為過渡過程的穩(wěn)態(tài)值。,超調(diào)量（百分?jǐn)?shù)表示的最大偏差）：,注意最大偏差和超調(diào)量的不同。,(3) 衰減比n,在過渡過

6、程曲線上，同方向上相鄰兩個波峰值之比。如圖，n=A:A。,n愈大，過渡過程衰減的越快，反之，n愈小，過 渡過程的衰減程度也愈小;,一般操作經(jīng)驗希望過程有兩、三個周波結(jié)束，一 般常取n=4:110:1。,l當(dāng)n1時，過渡過程則為等幅振蕩；,(4) 調(diào)節(jié)時間ts,階躍響應(yīng)到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時間。,工程上常取在被控變量進(jìn)入新穩(wěn)態(tài)值的土5或土2的誤差范圍，并不再超出的時間。 ts 的大小一般與控制系統(tǒng)中的最大時間常數(shù)有關(guān)，ts越短，系統(tǒng)響應(yīng)越快。,(5) 上升時間tr,僅適用隨動系統(tǒng)。第一次達(dá)到系統(tǒng)新穩(wěn)態(tài)值所需的時間，定義為上升時間。,(6) 余差或穩(wěn)態(tài)誤差e(),過渡過程結(jié)束時穩(wěn)態(tài)值與給定值之差，是表示控制

7、系統(tǒng)精度的重要質(zhì)量指標(biāo)。,對于非振蕩的過渡過程曲線：從穩(wěn)態(tài)值的10上升到90所需的時間。,總結(jié)：,1、峰值時間tp和上升時間tr反映了系統(tǒng) 的初始快速性。,4、穩(wěn)態(tài)誤差反映了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。,3、最大偏差、超調(diào)量和衰減比反映了系 統(tǒng)的平穩(wěn)性。,2、調(diào)節(jié)時間ts反映了系統(tǒng)的整體快速性。,1常規(guī)控制規(guī)律對系統(tǒng)控制質(zhì)量的影響,調(diào)節(jié)器可以被用來改變閉環(huán)傳遞函數(shù)，以保證系統(tǒng)獲得希望的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。,常規(guī)控制器的控制規(guī)律,調(diào)節(jié)器按不同控制規(guī)律產(chǎn)生使偏差減小的控制信號。,比例P、比例加積分PI、比例加積分加微分PID等,1 比例控制規(guī)律P,控制器輸出p(t)與偏差信號e(t)之間成比例關(guān)系。,p(t)

8、=Kce(t),其傳遞函數(shù):,Kc：控制器的比例增益或放大倍數(shù)。,e(t),p(t),比例作用的特點：,1. 比例控制是最基本的控制規(guī)律； 2.不能消除靜態(tài)誤差（余差）； 3.余差大小與Kc成反比。, 可調(diào)增益的放大器 輸出與輸入波形相同，放大Kc倍 若廣義對象為0型系統(tǒng)，則系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差。,總結(jié)：,2 比例加積分控制規(guī)律PI,控制器輸出p(t)與偏差信號e(t)之間的關(guān)系為：,控制器的傳遞函數(shù)為：,Kc:比例增益,P+I,P,I,Ti: 積分時間,積分作用特點：,l 偏差信號的積分（累加）,l只有偏差為零時，積分作用才停止。此時，控 制信號保持在前一刻數(shù)值。,l只要偏差存在，積分作用就一直

9、進(jìn)行，直到受 到實際裝置的限幅（積分飽和）。,總結(jié)：,1.積分控制作用是可以消除余差的（主要目的）。 2.積分作用與Ti成反比。Ti I 3.有可能影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。,3 比例加積分加微分規(guī)律PID,控制作用的數(shù)學(xué)表達(dá)式是：,其傳遞函數(shù)：,Kc: 比例增益，Ti: 積分時間, Td: 微分時間。,單位斜波,P+I+D,P+D,d,P,e(t),D,微分作用的特點：,l微分作用和偏差變化的速率成正比，能提高控 制器反應(yīng)的靈敏程度，使系統(tǒng)獲得超前作用， 有助于增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)。,l控制作用在輸入信號變化的瞬間是有效的，不 能單獨使用。,總結(jié)：,1. 微分作用具有超前調(diào)節(jié)的作用，有助于增加系 統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制品質(zhì)； 2. 微分作用大小與Td成正比； 3. 有可能放大